Einsteinova teorija opće relativnosti otkrila je dinamičan i bizaran kozmos
Predviđanja su bila ispravna u vezi s crnim rupama, gravitacijskim valovima i širenjem svemira
PRIJE 21 SAT
Um Alberta Einsteina iznova je izmislio prostor i vrijeme, prorekavši svemir toliko bizaran i velik da je doveo u pitanje granice ljudske mašte. Ideja rođena u švicarskom patentnom uredu koja se razvila u zrelu teoriju u Berlinu iznijela je radikalno novu sliku kozmosa, ukorijenjenu u novom, dubljem razumijevanju gravitacije.
Out je bila Newtonova ideja, koja je vladala gotovo dva stoljeća, o masama koje su se činile da se navlače jedna za drugu. Umjesto toga, Einstein je prostor i vrijeme predstavio kao jedinstveno tkivo iskrivljeno masom i energijom. Predmeti iskrivljuju tkaninu prostora poput utega koji odmara na trampolinu, a zakrivljenost tkanine vodi njihova kretanja. Ovim uvidom objašnjena je gravitacija.
Einstein je svoju opću teoriju relativnosti predstavio krajem 1915. godine u nizu predavanja u Berlinu. Ali tek su pomrčina Sunca 1919. godine svi primijetili. Njegova je teorija predvidjela da bi masivan objekt - recimo, sunce - mogao iskriviti prostorno vrijeme u blizini dovoljno da savija svjetlost iz svog pravocrtnog toka. Tako bi se daleke zvijezde pojavile ne baš tamo gdje se očekivalo. Fotografije snimljene tijekom pomrčine potvrdile su da se pomicanje položaja podudara s Einsteinovim predviđanjem. „Svjetla sva skrenula na nebesima; ljudi znanosti više ili manje agogirani ”, objavio je naslov New York Timesa .
Čak i desetljeće kasnije, priča u Science News Letteru , prethodniku Science News , napisala je o „ Neredima radi razumijevanja Einsteinove teorije “ ( SN: 2/1/30, str. 79 ). Očito je morala biti pozvana dodatna policija kako bi kontrolirala masu od 4.500 ljudi koji su "razbili željezna vrata i međusobno se maknuli" u Američkom prirodoslovnom muzeju u New Yorku kako bi čuli objašnjenje opće relativnosti.
Ovaj je članak isječak iz serije koja slavi neke od najvećih dostignuća u znanosti tijekom prošlog stoljeća. Za proširenu verziju priče o svemiru posjetite Century of Science: Our wild universe .
Do 1931. godine fizičar Albert A. Michelson, prvi Amerikanac koji je dobio Nobelovu nagradu za znanost, nazvao je teoriju "revolucijom u znanstvenoj misli bez presedana u povijesti znanosti".
No, unatoč svim moćima proricanja koje danas pripisujemo Einsteinu, bio je nevoljni proricatelj. Sada znamo da je opća relativnost nudila mnogo više nego što je Einstein htio ili mogao vidjeti. "Bio je to potpuno drugačiji način gledanja na svemir", kaže astrofizičar David Spergel iz Instituta Flatiron Simonsove zaklade u New Yorku, "i imao je neke divlje implikacije koje ni sam Einstein nije želio prihvatiti." Štoviše, kaže Spergel (član Počasnog odbora Društva za znanost, izdavač Science News ), "pokazalo se da su svi najdivljiji aspekti opće relativnosti."
Ono što se maskiralo kao tiho, statično, konačno mjesto, umjesto toga je dinamično, sve šireće borilište ispunjeno vlastitom neredom zvijeri koje savijaju prostor. Galaksije se okupljaju u super nakupinama na skalama znatno većim od bilo čega što su stručnjaci smatrali prije 20. stoljeća. Unutar tih galaksija nalaze se ne samo zvijezde i planeti, već i zoološki vrt s egzotičnim objektima koji ilustriraju sklonost opće relativnosti neobičnosti, uključujući neutronske zvijezde, koje masu masne zvijezde spakiraju u veličinu grada i crne rupe koje pervertiraju svemirsko vrijeme tako snažno da nikakva svjetlost ne može pobjeći. A kad se ti behemoti sudaruju, oni protrese prostorno vrijeme, izbacujući ogromne količine energije. Naš je kozmos nasilan, razvija se i ispunjen je znanstvenim fantastičnim mogućnostima koje zapravo dolaze izravno iz opće relativnosti.
"Opća relativnost otvorila nam je ogroman stupanj stvari koje smo mogli pogledati, isprobati i poigrati se s njima", kaže astrofizičar Saul Perlmutter sa kalifornijskog sveučilišta Berkeley. Ukazuje na ideju da se svemir dramatično mijenja tijekom svog života - "ideja o životu svemira uopće je bizaran pojam" - i ideju da se kozmos širi, plus misao da bi se mogao srušiti i doći kraj, pa čak i da bi mogli postojati drugi svemiri. "Shvaćate da bi svijet mogao biti mnogo zanimljiviji nego što smo već ikad zamišljali da bi mogao biti."
Slika koja se širi
Einsteinove jednadžbe opće relativnosti bili su izvor iz kojeg je proizašao naš trenutni pogled na kozmos. Da teorija nastavlja s toliko bogatih pitanja dio je onoga što je čini "jednostavno nevjerojatnom", kaže David Spergel, astrofizičar s Instituta Flatiron Simonsove zaklade u New Yorku. Tijekom prošlog stoljeća otkrili smo kozmičke zvijeri koje prkose mašti. Također smo saznali neke ključne činjenice o našem kozmosu: Svemir se širi i ubrzava. Svemir je započeo praskom prije 13,8 milijardi godina. A tajanstveni oblici materije i energije oblikuju kozmos na neočekivane i uglavnom nepoznate načine. Pročitajte o nekim prekretnicama u našoj slici koja se širi , uključujući doprinose Vere Rubin.
Mjerenja astronomke Vere Rubin sugerirala su postojanje tamne tvari u 1970-ima.ZBIRKA RUBIN / AIP VIZUALNA ARHIVA EMILIO SEGRÈ
Opća je relativnost postala temelj današnjeg razumijevanja kozmosa. Ali trenutna slika još uvijek nije potpuna. Preostaje pitanja o tajanstvenoj materiji i silama, o počecima i kraju svemira , o tome kako se znanost o velikim mrežama s kvantnom mehanikom, znanost o vrlo malim. Neki astronomi vjeruju da je obećavajući put za odgovor na neke od tih nepoznanica još jedna od u početku nedovoljno cijenjenih značajki opće relativnosti - snaga savijenog svjetla da poveća značajke kozmosa .
Današnji znanstvenici nastavljaju zagovarati i poticati opću relativnost kako bi pronašli tragove o tome što im možda nedostaje. Opća relativnost sada se ispituje na razini preciznosti koja je prije bila nemoguća, kaže astrofizičar Priyamvada Natarajan sa sveučilišta Yale. "Opća je relativnost proširila naš kozmički pogled, a zatim nam se oštrije usredotočila na kozmos, a zatim okrenula ploču i rekla," sada to možemo puno jače testirati. " ”Upravo će ovo testiranje možda otkriti probleme s teorijom koji bi mogli ukazati na potpunu sliku.
I tako, više od stoljeća nakon što je debitirala opća relativnost, preostalo je još mnogo toga za predvidjeti. Svemir se može pokazati još divljim.
Grabežljive zvijeri
Nešto više od stoljeća nakon što je Einstein predstavio opću relativnost, znanstvenici su dobili vizualnu potvrdu jedne od njegovih najimpresivnijih zvijeri. Godine 2019. globalna mreža teleskopa otkrila je masovno iskrivljeno svemirsko vrijeme s takvom žestinom da ništa, čak ni svjetlost, ne može pobjeći iz zamke. Teleskop Horizon Event objavio je prvu sliku crne rupe , u središtu galaksije M87 ( SN: 4/27/19, str. 6 ).
2019. godine, Horizon Telescope Collaboration objavio je ovu prvu sliku crne rupe u srcu galaksije M87. Na slici je prikazana sjena čudovišta okružena svijetlim diskom plina.SURADNJA TELESKOPA HORIZONTA DOGAĐAJA
"Snaga slike je jaka", kaže Kazunori Akiyama, astrofizičar s MIT Haystack Observatory u Westfordu, Massachusetts, koji je vodio jedan od timova koji su stvorili sliku. "Pomalo sam očekivao da bismo mogli vidjeti nešto egzotično", kaže Akiyama. Ali nakon što je pogledao prvu sliku, "O moj Bože", sjeća se razmišljanja, "ona se savršeno podudara s našim očekivanjima opće relativnosti."
Dugo su crne rupe bile puka matematička zanimljivost. Dokazi da zapravo borave u svemiru počeli su dolaziti tek u drugoj polovici 20. stoljeća. To je česta priča u analima fizike. Neobičnost u jednadžbi nekog teoretičara upućuje na prethodno nepoznati fenomen koji započinje potragu za dokazima. Jednom kad su podaci dostupni i ako fizičari malo posreće, potraga ustupa mjesto otkriću.
U slučaju crnih rupa, njemački je fizičar Karl Schwarzschild 1916. godine pronašao rješenje Einsteinovih jednadžbi u blizini jedne sferne mase, poput planeta ili zvijezde, nedugo nakon što je Einstein predložio opću relativnost. Schwarzschildova matematika otkrila je kako će se zakrivljenost svemirskog vremena razlikovati oko zvijezda iste mase, ali sve manjih veličina - drugim riječima, zvijezda koje su bile sve kompaktnije. Iz matematike je izašlo ograničenje koliko male mase se može iscijediti. Tada su 1930-ih J. Robert Oppenheimer i Hartland Snyder opisali što bi se dogodilo kad bi se masivna zvijezda koja se srušila pod težinom vlastite gravitacije smanjila iznad te kritične veličine - danas poznate kao "radijus Schwarzschilda" - dosežući točku od koje svjetlost nikada ne bi mogao doći do nas. Ipak, Einstein - i većina drugih - sumnjali su u ono što danas nazivamo crnim rupamabili vjerojatni u stvarnosti .
Pojam "crna rupa" prvi se put objavio u časopisu Science News Letter . Bilo je to u priči iz 1964. godine Ann Ewing, koja je izvještavala o sastanku u Clevelandu Američkog udruženja za napredak znanosti ( SN: 1/18/64, str. 39 ). To je također otprilike vrijeme koje je počelo dolaziti u prilog stvarnosti crnih rupa.
Samo nekoliko mjeseci kasnije, Ewing je izvijestio o otkriću kvazara - opisujući ih u Science News Letteru kao "najudaljeniji, najsvjetliji, najnasilniji, najteži i najzabunjujući izvor svjetlosti i radio valova" ( SN: 8/15/64, str. 106 ). Iako u to vrijeme nisu bili povezani s crnim rupama, kvazari su nagovještavali neke kozmičke moćnike potrebne za pružanje takve energije. Korištenje rendgenske astronomije u 1960-ima otkrilo je nove značajke kozmosa, uključujući svijetle svjetionike koji bi mogli dolaziti iz crne rupe rušeći zvijezdu pratitelja . A pokreti zvijezda i oblaka plina blizu središta galaksija ukazivali su na nešto izuzetno gusto što se skriva u njima.
Kvazari (jedan ilustrirani) toliko su svijetli da mogu zasjeniti svoje matične galaksije. Iako zbunjujući kad su prvi put otkriveni, ove ispade pokreću masivne crne rupe koje hrane.MARK GARLICK / IZVOR ZNANOSTI
Crne rupe ističu se među ostalim kozmičkim zvijerima koliko su ekstremne. Najveći su mnogo milijardi puta veći od mase sunca, a kad zvijezdu rastrgnu, mogu ispljunuti čestice s 200 bilijuna elektrona volta energije. To je nekih 30 puta veća količina energije od protona koji se utrkuju oko najvećeg i najsnažnijeg akceleratora čestica na svijetu, Velikog hadronskog sudarača.
Kao dokaz ugrađen u devedesete i do danas, znanstvenici su shvatili da ove velike zvijeri ne samo da postoje, već i pomažu oblikovati kozmos. „Ti su objekti koje je opća relativnost predvidjela, a to su matematičke zanimljivosti, postali stvarni, a zatim su bili marginalni. Sad su postali središnji ”, kaže Natarajan.
Sada znamo da supermasivne crne rupe borave u središtima većine, ako ne i svih galaksija, gdje generiraju izljeve energije koji utječu na to kako i gdje nastaju zvijezde. "U središtu galaksije oni sve definiraju", kaže ona.
Iako je vizualna potvrda nedavna, čini se kao da su crne rupe već odavno poznate. Oni su metafora za svaki nepoznat prostor, bilo koji duboki ponor, bilo koji pothvat koji troši sve naše napore, a zauzvrat daje malo.
Prave crne rupe, naravno, vratile su mnogo toga: odgovori o našem kozmosu, plus nova pitanja za promišljanje, čudo i zabava za svemirske fanatike, izgubljeni album iz Weezera, brojne epizode Doctor Whoa , hollywoodski hit Interstellar .
Za fizičara Nicolasa Yunesa sa Sveučilišta Illinois u Urbana-Champaignu, crne rupe i drugi kozmički behemoti i dalje zadivljuju. "Samo razmišljanje o dimenzijama ovih predmeta, koliko su veliki, koliko su teški, koliko su gusti", kaže, "zaista oduzima dah."
2019. znanstvenici su nam dali prvu stvarnu sliku supermasivne crne rupe u središtu galaksije M87. Kako? Mi objašnjavamo.Prostorno-vremenski valovi
Kad se behemoti opće relativnosti sudare, oni poremete kozmičko tkivo. Talasi u svemiru zvani gravitacijski valovi izbijaju prema van, posjetnica burnog i najenergičnijeg tanga.
Einsteinova matematika predvidjela je da bi se takvi valovi mogli stvoriti, ne samo gigantskim sudarima, već i eksplozijama i drugim ubrzavajućim tijelima. No, dugo je uočavanje bilo kakvog svemirskog mreškanja bio san preko svake mjere. Samo najdramatičnija kozmička djela stvorila bi signale koji su bili dovoljno veliki za izravno otkrivanje. Einstein, koji je valove nazvao gravitacijskim opuštenima , nije bio svjestan da u kozmosu postoje takvi veliki događaji.
Gravitacijski valovi se talasaju od dvije crne rupe koje međusobno kruže prije spajanja (prikazano u ovoj simulaciji). Spajanjem crnih rupa stvorena je nova crna rupa koja je puno veća od one pronađene u prethodnim sudarima.DEBORAH FERGUSON, KARAN JANI, POSTOLAR DEIRDRE I PABLO LAGUNA / GEORGIA TECH, SURADNJA MAYA
Počevši od 1950-ih, dok su se drugi još uvijek svađali postoje li gravitacijski valovi u stvarnosti, fizičar Joseph Weber potonuo je svoju karijeru pokušavajući ih otkriti. Nakon više od deset godina napora, zatražio je otkrivanje 1969. godine, identificirajući prividni signal možda od supernove ili od novootkrivene vrste brzo okrećuće zvijezde nazvane pulsar. U nekoliko godina nakon prijavljivanja početni nalaz , Science News objavio više od desetak priča o tome što je počelo pozivom na „Weber problem” ( SN. 6/21/69, str 593 ). Studija za studijom nije mogla potvrditi rezultate. Štoviše, nisu mogli biti pronađeni izvori valova. Naslov iz 1973. godine glasio je: „Produbljivanje sumnje u vezi s Weberovim valovima“ ( SN: 5/26/73, str. 338 ).
Weber je ostao pri svojoj tvrdnji sve do smrti 2000. godine, ali njegovi valovi nikada nisu provjereni. Unatoč tome, znanstvenici su sve više vjerovali da će biti pronađeni gravitacijski valovi. 1974. radioastronomi Russell Hulse i Joseph Taylor primijetili su neutronsku zvijezdu koja kruži oko gustog pratioca . Sljedećih godina činilo se da se neutronska zvijezda i njezin suputnik približavaju na udaljenosti koja bi se očekivala ako gube energiju od gravitacijskih valova. Znanstvenici ubrzo nisu govorili o Weberovom problemu, već o tome koja bi oprema mogla pokupiti valove. "Sada, iako još nisu vidjeli, fizičari vjeruju", napisao je Dietrick E. Thomsen u Science News 1984. ( SN: 8/4/84, str. 76 ).
Bila je to drugačija strategija otkrivanja, desetljećima u nastajanju, koja će pružiti potrebnu osjetljivost. Opservatorij za gravitacijske valove Advanced Laser Interferometry ili LIGO, koji je izvijestio o prvim potvrđenim gravitacijskim valovima 2016. godine, oslanja se na dva detektora, jedan u Hanfordu u Washingtonu i jedan u Livingstonu u La. Svaki detektor cijepa snop snažnog lasera u dva, pri čemu se svaki snop spušta niz jedan od dva kraka detektora. U nedostatku gravitacijskih valova, dvije se zrake rekombiniraju i međusobno se poništavaju. Ali ako gravitacijski valovi istežu jedan krak detektora dok istiskuju drugi, lasersko svjetlo više se ne poklapa.
Prijavite se za najnovije vijesti iz znanosti
Naslovi i sažeci najnovijih članaka Science News , dostavljeni u vašu pristiglu poštu
E-mail *IĆI
Strojevi su nevjerojatan podvig tehnike. Čak i prostorno-valoviti valovi otkriveni od sudarajućih crnih rupa mogli bi istegnuti krak LIGO detektora za samo desettisućiti dio širine protona.
Kad je najavljeno prvo otkrivanje dviju sudarajućih crnih rupa, otkriće je najavljeno kao početak nove ere u astronomiji. To je bio Science News " priča godine u 2016 , a tako veliki hit koji pioniri detektor Ligo dobio Nobelovu nagradu za fiziku sljedeće godine.
Znanstvenici s LIGO-om i drugim detektorom gravitacijskog vala, Djevicom, sa sjedištem u Italiji, do sada su zabilježili još desetine otkrivanja ( SN: 1/30/21, str. 30 ). Većina valova proizlazi iz spajanja crnih rupa, iako je na nekoliko događaja bilo neutronskih zvijezda. Dosadašnji smashupovi otkrili su ranije nepoznata mjesta rođenja nekih teških elemenata i ukazali na svijetli mlaz nabijenih subatomskih čestica koji bi mogao pružiti tragove o misterioznim bljeskovima visokoenergijske svjetlosti poznatim pod nazivom gama zračenja. Valovi su također otkrili da crne rupe srednje veličine, između 100 i 100 000 puta veće od mase sunca, u stvari postoje - zajedno s ponovnom potvrdom da je Einstein bio u pravu, barem do sada.
Istraživači iz dvije zvjezdarnice gravitacijskog vala, LIGO u Sjedinjenim Državama i Djevice u Italiji (prikazano), izvijestili su o desetcima otkrića razbijanja crnih rupa, kao i o spajanju neutronskih zvijezda, u posljednjih pet godina.SURADNJA DJEVICE
Samo nakon pet godina, neki su znanstvenici već željni nečeg još egzotičnijeg. U članku Science News-a o otkrivanju crnih rupa koje kruže kroz crvotočine gravitacijskim valovima, fizičar Vítor Cardoso iz Instituta Superior Técnico u Lisabonu u Portugalu predlaže nadolazeći prelazak na neobičnije pojave: "Moramo tražiti čudne, ali uzbudljive signale", rekao je ( SN: 8/29/20, str. 12 ).
Astronomija gravitacijskog vala uistinu je tek na svojim počecima. Poboljšana osjetljivost postojećih zemaljskih detektora pojačat će glasnoću na gravitacijskim valovima, omogućujući detekcije iz manje energičnih i udaljenijih izvora. Budući detektori, uključujući svemirsku LISA , planiranu za lansiranje 2030-ih, zaobići će uznemirujuću buku koja ometa Zemljinu površinu.
"Možda bi najuzbudljivije bilo promatrati kako mala crna rupa pada u veliku crnu rupu, ekstremni omjer mase nadahnjuje", kaže Yunes. U takvom bi se slučaju mala crna rupa zumirala naprijed-natrag, naprijed-natrag, kovitlajući se u različitim smjerovima prateći divlje ekscentrične orbite, možda godinama. To bi moglo ponuditi konačni test Einsteinovih jednadžbi, otkrivajući razumijemo li uistinu kako je prostor vrijeme izokrenuto u krajnosti.
Pitanja ili komentari na ovaj članak? Pošaljite nam e-poštu na feedback@sciencenews.org
NAVODI
Clifford M. Will i Nicolas Yunes. Je li Einstein još uvijek u pravu? Oxford University Press, 2020.
Elizabeth Quill urednica je posebnih projekata. Nadgledala je zbirke o temama u rasponu od svijesti do opće relativnosti, a nedavno je duboko zarobila u periodni sustav elemenata .
bglavac
edin.kecanovic
